Wie lassen sich Echtzeitbetriebssysteme in Embedded-Systemen implementieren?

1 Was ist ein Echtzeitbetriebssystem?

Ein Echtzeitbetriebssystem ist eine Art Betriebssystem, das für die Verarbeitung mehrerer Aufgaben oder Threads mit vordefinierten Prioritäten und Fristen ausgelegt ist. Im Gegensatz zu einem Allzweck-Betriebssystem (Gruppenrichtlinienobjekte), z. B. Windows oder Linux, verwendet ein Echtzeitbetriebssystem keinen Scheduler, der CPU-Zeit für Aufgaben basierend auf deren Bedarf oder Fairness zuweist. Stattdessen verwendet ein Echtzeitbetriebssystem einen präemptiven Scheduler, der die aktuelle Aufgabe unterbricht und zu einer Aufgabe mit höherer Priorität wechselt, wenn sie bereit ist oder ein Timer abläuft. So wird sichergestellt, dass die dringendsten Aufgaben immer pünktlich ausgeführt werden und das System schnell auf externe Ereignisse oder Eingaben reagieren kann.

2 Wie wählt man ein Echtzeitbetriebssystem aus?

Bei der Auswahl eines Echtzeitbetriebssystems für Ihr Embedded-System sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen, wie z. B. die Hardwareplattform und der Zielprozessor, der Speicherbedarf und der Leistungsaufwand des Echtzeitbetriebssystems, seine Kompatibilität und Interoperabilität mit anderen Softwarekomponenten und -tools, die Verfügbarkeit und Qualität der Dokumentation und des Supports sowie die Kosten und Lizenzbedingungen des Echtzeitbetriebssystems. Darüber hinaus sollten Sie auch die Funktionalität und Benutzerfreundlichkeit des Echtzeitbetriebssystems vergleichen, einschließlich der Anzahl und Art der unterstützten Aufgaben oder Threads, der bereitgestellten Synchronisierungs- und Kommunikationsmechanismen, der angebotenen Timer- und Interrupt-Verwaltung, der implementierten Speicherverwaltungs- und Schutzfunktionen sowie der integrierten Debugging- und Testwerkzeuge. Zu den beliebten Echtzeitbetriebssystemen, die auf dem Markt erhältlich sind, gehören FreeRTOS, VxWorks, QNX, RTLinux und Zephyr.

3 Wie konfiguriere ich ein Echtzeitbetriebssystem?

Sobald Sie ein Echtzeitbetriebssystem für Ihr Embedded-System ausgewählt haben, können Sie es mit einer grafischen oder textbasierten Oberfläche konfigurieren, um die Einstellungen und Parameter anzupassen. Dazu gehören die Taktfrequenz und Tickrate, die Stapelgröße und -priorität jedes Tasks oder Threads, die Speicherzuweisung und Heapgröße, Kernel-Optionen und -Module, Gerätetreiber und Peripheriegeräte. Darüber hinaus sollten Sie die Abhängigkeiten und Beziehungen zwischen Aufgaben oder Threads definieren, z. B. Trigger und Ereignisse, die sie aktivieren oder deaktivieren, Semaphoren und Warteschlangen, die sie synchronisieren oder kommunizieren, Mutexe und Flags, die sie schützen oder signalisieren, Hooks und Rückrufe, die sie anpassen oder erweitern.

4 Wie programmiert man ein Echtzeitbetriebssystem?

Nachdem Sie das Echtzeitbetriebssystem für Ihr Embedded-System konfiguriert haben, können Sie mit der Programmiersprache und Entwicklungsumgebung Ihrer Wahl mit der Codierung Ihrer Anwendungslogik beginnen. Die Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) des Echtzeitbetriebssystems bietet eine Reihe von Funktionen, z. B. das Erstellen und Löschen von Aufgaben oder Threads, das Starten und Beenden von Aufgaben, das Anhalten und Fortsetzen von Aufgaben, das Ändern ihrer Priorität oder ihres Status, das Senden und Empfangen von Daten oder Nachrichten zwischen Aufgaben oder Threads, das Warten und Signalisieren auf Ereignisse oder Ressourcen sowie das Behandeln von Fehlern und Ausnahmen. Darüber hinaus können Sie Codeblöcke verwenden, um die Syntax und Verwendung der RTOS-API zu veranschaulichen. Um beispielsweise eine Aufgabe mit einem Namen, einer Funktion, einer Priorität und einer Stack-Größe zu erstellen, können Sie Folgendes schreiben: xTaskCreate(Aufgabe1, "Aufgabe 1", Aufgabe1_Funktion, 2, 256); . So starten Sie den Scheduler und führen die Aufgaben aus: vTaskStartScheduler(); . Und Sie können eine Funktion für eine Aufgabe definieren, die eine LED blinken lässt: void Aufgabe1_Funktion(Leere *pvParameter) { pinMode(LED_PIN, AUSGANG); während (1) { digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_STECKNADEL)); vTaskDelay(500 / portTICK_PERIODE_FRAU); } } .

5 Was sind die Vorteile der Verwendung eines Echtzeitbetriebssystems?

Ein Echtzeitbetriebssystem für ein Embedded-System kann zahlreiche Vorteile mit sich bringen, wie z. B. die Verbesserung der Reaktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit, die Optimierung der CPU-Auslastung und des Stromverbrauchs, die Reduzierung von Latenz und Jitter sowie die Vereinfachung des Designs und der Entwicklung des Systems. Darüber hinaus kann ein Echtzeitbetriebssystem die Wartung und Aktualisierung erleichtern, indem es Änderungen oder Ergänzungen von Aufgaben oder Threads zulässt, ohne den Rest des Systems zu beeinträchtigen. Es bietet auch Debugging- und Testtools, um Fehler oder Bugs zu identifizieren und zu beheben.